Yadro reaksiyasi (NR) - atom yadrosining boshqa atom yadrosi bilan ezilishi yoki qoʻshilishi natijasida oʻzgarishi jarayoni. Shunday qilib, u kamida bitta nuklidning boshqasiga aylanishiga olib kelishi kerak. Ba'zan, agar yadro boshqa yadro yoki zarracha bilan hech qanday nuklidning tabiatini o'zgartirmasdan o'zaro ta'sir qilsa, bu jarayon yadro tarqalishi deb ataladi. Yulduzlar va quyoshning energiya ishlab chiqarishiga ta'sir qiluvchi yorug'lik elementlarining termoyadroviy reaktsiyalari, ehtimol, eng diqqatga sazovordir. Tabiiy reaktsiyalar kosmik nurlarning materiya bilan o'zaro ta'sirida ham sodir bo'ladi.
Tabiiy yadro reaktori
Eng koʻzga koʻringan inson tomonidan boshqariladigan reaksiya yadroviy reaktorlarda sodir boʻladigan boʻlinish reaksiyasidir. Bu zanjirli yadro reaktsiyasini boshlash va boshqarish uchun qurilmalar. Ammo bu erda nafaqat sun'iy reaktorlar mavjud. Dunyodagi birinchi tabiiy yadro reaktori 1972 yilda Gabondagi Oklo shahrida frantsuz fizigi Frensis Perren tomonidan kashf etilgan.
Yadro reaktsiyasining tabiiy energiyasini hosil qilish shartlari 1956 yilda Pol Kazzuo Kuroda tomonidan bashorat qilingan. Yagona ma'lum joydunyo 16 ta saytdan iborat bo'lib, ularda bunday turdagi o'z-o'zini ta'minlaydigan reaktsiyalar sodir bo'ladi. Bu taxminan 1,7 milliard yil oldin bo'lgan va bir necha yuz ming yillar davom etgan deb ishoniladi, buni ksenon izotoplari (bo'linish mahsuloti gazi) va U-235/U-238 ning turli nisbatlari (tabiiy uran boyitish) tasdiqlaydi.
Yadro parchalanishi
Bogʻlovchi energiya sxemasi massasi 130 a.m.u dan katta boʻlgan nuklidlar ekanligini koʻrsatadi. engilroq va barqarorroq nuklidlarni hosil qilish uchun bir-biridan o'z-o'zidan ajralishi kerak. Eksperimental ravishda olimlar yadro reaktsiyasi elementlarining o'z-o'zidan bo'linish reaktsiyalari faqat massa soni 230 va undan ortiq bo'lgan eng og'ir nuklidlar uchun sodir bo'lishini aniqladilar. Bu amalga oshirilgan bo'lsa ham, u juda sekin. Masalan, 238 U ning o'z-o'zidan bo'linishining yarimparchalanish davri 10-16 yil yoki sayyoramizning yoshidan taxminan ikki million baravar ko'p! Bo'linish reaktsiyalari og'ir nuklidlarning namunalarini sekin termal neytronlar bilan nurlantirish orqali yuzaga kelishi mumkin. Masalan, 235 U termal neytronni yutganda, u notekis massali ikkita zarrachaga bo'linadi va o'rtacha 2,5 neytron chiqaradi.
238 U neytronning yutilishi yadroda tebranishlarni keltirib chiqaradi, bu esa uni bo'laklarga bo'linguncha deformatsiya qiladi, xuddi suyuqlik tomchisi mayda tomchilarga parchalanishi mumkin. Atom massalari 72 dan 161 gacha bo'lgan 370 dan ortiq qiz nuklidlar. 235U termal neytron tomonidan parchalanish jarayonida hosil bo'ladi, shu jumladan ikkita mahsulot,quyida ko'rsatilgan.
Yadro reaktsiyasining izotoplari, masalan, uran induksiyalangan boʻlinishga uchraydi. Ammo yagona tabiiy izotopi 235 U atigi 0,72% ko'p miqdorda mavjud. Ushbu izotopning induktsiyalangan bo'linishi har bir atom uchun o'rtacha 200 MeV yoki 235 U grammiga 80 million kilojoul chiqaradi. Yadro bo'linishining energiya manbai sifatida jalb qilinishini ushbu qiymatni tabiiy bo'lganda chiqarilgan 50 kJ/g bilan solishtirish orqali tushunish mumkin. gaz yondi.
Birinchi yadro reaktori
Birinchi sun'iy yadro reaktori Enriko Fermi va uning hamkasblari tomonidan Chikago universiteti futbol stadioni qoshida qurilgan va 1942 yil 2 dekabrda foydalanishga topshirilgan. Bir necha kilovatt quvvat ishlab chiqaradigan ushbu reaktor 40 tonna uran va uran oksidi bo'lgan kubik panjara atrofida qatlamlarga joylashtirilgan 385 tonna grafit bloklari to'plamidan iborat edi. Ushbu reaktorda 238 U yoki 235 U ning o'z-o'zidan bo'linishi juda kam neytronlarni hosil qildi. Ammo uran yetarli edi, shuning uchun bu neytronlardan biri 235 U yadrosining boʻlinishini keltirib chiqardi va shu tariqa oʻrtacha 2,5 neytron ajralib chiqdi, bu esa zanjir reaksiyasida (yadro reaksiyalari) qoʻshimcha 235 U yadrolarining boʻlinishini katalizladi.
Zanjir reaksiyasini davom ettirish uchun zarur boʻladigan parchalanuvchi material miqdori kritik massa deyiladi. Yashil o'qlar uran yadrosining yangi neytronlarni chiqaradigan ikkita bo'linish bo'laklariga bo'linishini ko'rsatadi. Ushbu neytronlarning ba'zilari yangi bo'linish reaktsiyalarini qo'zg'atishi mumkin (qora o'qlar). Ba'zineytronlar boshqa jarayonlarda yo'qolishi mumkin (ko'k o'qlar). Qizil strelkalar radioaktiv boʻlinish boʻlaklaridan keyin keladigan va yangi boʻlinish reaksiyalarini boshlashi mumkin boʻlgan kechiktirilgan neytronlarni koʻrsatadi.
Yadro reaksiyalarining belgilanishi
Atomlarning asosiy xossalarini, jumladan, atom raqami va atom massasini ko'rib chiqamiz. Atom raqami - bu atom yadrosidagi protonlar soni va izotoplar bir xil atom raqamiga ega, ammo neytronlar sonida farqlanadi. Agar boshlang‘ich yadrolar a va b, mahsulot yadrolari esa c va d bilan belgilangan bo‘lsa, reaksiyani quyida ko‘rishingiz mumkin bo‘lgan tenglama bilan ifodalash mumkin.
Toʻliq tenglamalar oʻrniga yorugʻlik zarralari uchun qanday yadro reaksiyalari bekor qilinadi? Ko'pgina hollarda bunday jarayonlarni tasvirlash uchun ixcham shakl ishlatiladi: a (b, c) d a + b hosil qiluvchi c + d ga teng. Yorug'lik zarralari ko'pincha qisqartiriladi: odatda p proton, n neytron, d deytron, a alfa yoki geliy-4, b beta yoki elektron, g gamma foton va hokazo.
Yadro reaksiyalarining turlari
Bunday reaktsiyalar soni juda ko'p bo'lsa-da, ularni turlari bo'yicha saralash mumkin. Ushbu reaktsiyalarning aksariyati gamma nurlanishi bilan birga keladi. Mana bir nechta misollar:
- Elastik sochilish. Nishon yadro va kiruvchi zarracha oʻrtasida energiya oʻtkazilmaganda sodir boʻladi.
- Elastik sochilish. Energiya uzatilganda paydo bo'ladi. Kinetik energiyalar farqi qo'zg'atilgan nuklidda saqlanadi.
- Reaksiyalarni yozib oling. ham zaryadlangan vaneytral zarralar yadrolar tomonidan tutilishi mumkin. Bu ɣ-nurlarining emissiyasi bilan birga keladi. Neytronni tutib olish reaksiyasidagi yadro reaksiyalarining zarralari radioaktiv nuklidlar (induktsiyalangan radioaktivlik) deb ataladi.
- Etkazish reaktsiyalari. Bir yoki bir nechta zarrachalarning emissiyasi bilan birga zarrachaning yutilishi uzatish reaksiyasi deb ataladi.
- Boʻlinish reaksiyalari. Yadroning bo'linishi - bu atom yadrosining kichikroq bo'laklarga (engil yadrolarga) bo'linishi reaktsiyasi. Bo'linish jarayoni ko'pincha erkin neytronlar va fotonlarni (gamma nurlari shaklida) hosil qiladi va katta miqdorda energiya chiqaradi.
- Foydalanish reaksiyalari. Ikki yoki undan ortiq atom yadrolari juda yuqori tezlikda toʻqnashib, yangi turdagi atom yadrosini hosil qilish uchun birlashganda yuzaga keladi. Deyteriy-tritiy termoyadroviy yadro zarralari kelajakda energiya bilan ta'minlash salohiyati tufayli alohida qiziqish uyg'otadi.
- Boʻlinish reaksiyalari. Yadroga bir nechta kichik bo'laklarni urib tushirish yoki uni ko'p bo'laklarga ajratish uchun etarli energiya va impulsga ega zarracha urilganda sodir bo'ladi.
- Qayta tartibga solish reaktsiyalari. Bu bir yoki bir nechta zarrachalar emissiyasi bilan birga zarrachaning yutilishi:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4He (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Turli tartibga solish reaksiyalari neytronlar va protonlar sonini oʻzgartiradi.
Yadro parchalanishi
Yadro reaktsiyalari beqaror atom energiyani yo'qotganda sodir bo'ladiradiatsiya. Bu yakka atomlar darajasidagi tasodifiy jarayon, chunki kvant nazariyasiga ko'ra, alohida atom qachon parchalanishini oldindan aytib bo'lmaydi.
Radioaktiv parchalanishning koʻp turlari mavjud:
- Alfa radioaktivligi. Alfa zarralari geliy yadrosiga o'xshash zarracha bilan bog'langan ikkita proton va ikkita neytrondan iborat. Juda katta massasi va zaryadi tufayli u materialni kuchli ionlashtiradi va juda qisqa diapazonga ega.
- Beta radioaktivligi. Bu kaliy-40 kabi ma'lum turdagi radioaktiv yadrolardan chiqariladigan yuqori energiyali, yuqori tezlikdagi pozitronlar yoki elektronlardir. Beta zarralari alfa zarralariga qaraganda ko'proq kirish diapazoniga ega, ammo baribir gamma nurlaridan ancha past. Chiqarilgan beta zarralar ionlashtiruvchi nurlanishning bir shakli bo'lib, yadroviy zanjir reaktsiyasi beta nurlari deb ham ataladi. Beta zarralarini ishlab chiqarish beta parchalanish deb ataladi.
- Gamma radioaktivligi. Gamma nurlari juda yuqori chastotali elektromagnit nurlanishdir va shuning uchun yuqori energiyali fotonlardir. Ular yadrolarning yuqori energiyali holatdan gamma-emirilish deb ataladigan quyi holatga o'tganda parchalanishi natijasida hosil bo'ladi. Aksariyat yadro reaksiyalari gamma nurlanishi bilan birga kechadi.
- Neytron emissiyasi. Neytron emissiyasi - ortiqcha neytronlarni (ayniqsa, bo'linish mahsulotlarini) o'z ichiga olgan yadrolarning radioaktiv parchalanishining bir turi bo'lib, unda neytron yadrodan oddiygina chiqariladi. Bu turradiatsiya yadro reaktorlarini boshqarishda asosiy rol o'ynaydi, chunki bu neytronlar kechiktiriladi.
Energiya
Yadro reaksiyasi energiyasining Q-qiymati reaksiya davomida ajralib chiqqan yoki yutilgan energiya miqdoridir. Bu energiya balansi yoki reaksiyaning Q-qiymati deb ataladi. Bu energiya mahsulotning kinetik energiyasi va reaktivning miqdori o'rtasidagi farq sifatida ifodalanadi.
Reaksiyaning umumiy ko’rinishi: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), bunda x va X reaksiyaga kirishuvchi moddalar va y va Y - yadro reaktsiyasining energiyasini aniqlay oladigan reaktsiya mahsuloti, Q - energiya balansi.
Q-qiymati NR reaksiyada chiqarilgan yoki yutilgan energiyani bildiradi. U NR energiya balansi deb ham ataladi, u tabiatga qarab ijobiy yoki salbiy bo'lishi mumkin.
Agar Q-qiymati musbat boʻlsa, reaksiya ekzotermik boʻladi, uni ekzoergik deb ham ataladi. U energiya chiqaradi. Q-qiymati manfiy bo'lsa, reaktsiya endoergik yoki endotermikdir. Bunday reaksiyalar energiyani yutish orqali amalga oshiriladi.
Yadro fizikasida bunday reaksiyalar Q-qiymati bilan aniqlanadi, ya'ni boshlang'ich reaktivlar va yakuniy mahsulotlar massalari yig'indisi o'rtasidagi farq. MeV energiya birliklarida o'lchanadi. Oddiy reaktsiyani ko'rib chiqing, bunda a va mo'ljal A snaryadlari ikkita B va b mahsulotiga tushadi.
Buni quyidagicha ifodalash mumkin: a + A → B + B, yoki hatto ixchamroq yozuvda - A (a, b) B. Yadro reaktsiyasidagi energiya turlari va bu reaksiyaning ma'nosiformula bilan aniqlanadi:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, bu yakuniy mahsulotlarning ortiqcha kinetik energiyasiga to'g'ri keladi:
Q=T final - T boshlang'ich
Mahsulotlarning kinetik energiyasi ortib boruvchi reaksiyalar uchun Q musbat. Ijobiy Q reaksiyalari ekzotermik (yoki ekzogen) deb ataladi.
Energiyaning aniq chiqishi bor, chunki oxirgi holatning kinetik energiyasi dastlabki holatga qaraganda kattaroqdir. Mahsulotlarning kinetik energiyasining pasayishi kuzatilgan reaksiyalar uchun Q manfiy hisoblanadi.
Yarim yemirilish davri
Radioaktiv moddaning yarimparchalanish davri xarakterli doimiydir. U ma'lum miqdordagi moddaning parchalanish va shuning uchun radiatsiya orqali yarmiga qisqarishi uchun zarur bo'lgan vaqtni o'lchaydi.
Arxeologlar va geologlar uglerodni aniqlash deb nomlanuvchi jarayonda organik ob'ektlarning yarim yemirilish davrini ishlatadilar. Beta-parchalanish jarayonida uglerod 14 azot 14 ga aylanadi. O'lim vaqtida organizmlar uglerod 14 ishlab chiqarishni to'xtatadi. Yarimparchalanish davri doimiy bo'lgani uchun uglerod 14 ning azot 14 ga nisbati namunaning yoshi o'lchovini beradi.
Tibbiyot sohasida yadroviy reaksiyalarning energiya manbalari Kob alt 60 ning radioaktiv izotoplari boʻlib, u radiatsiya terapiyasida keyinchalik jarrohlik yoʻli bilan olib tashlanadigan oʻsmalarni kichraytirish yoki operatsiyaga yaroqsiz boʻlgan saraton hujayralarini oʻldirish uchun qoʻllaniladi.shishlar. U barqaror nikelga aylanganda, u ikkita nisbatan yuqori energiya - gamma nurlarini chiqaradi. Bugungi kunda u elektron nurli radiatsiya terapiyasi tizimlari bilan almashtirilmoqda.
Ba'zi namunalardagi izotopning yarim yemirilish davri:
- kislorod 16 - cheksiz;
- uran 238 - 4.460.000.000 yil;
- uran 235 - 713 000 000 yil;
- uglerod 14 - 5730 yil;
- kob alt 60 - 5, 27 yosh;
- kumush 94 - 0,42 soniya.
Radiokarbon bilan tanishish
Juda barqaror tezlikda beqaror uglerod 14 asta-sekin uglerod 12 ga aylanadi. Bu uglerod izotoplarining nisbati Yerning eng keksa aholisining yoshini aniqlaydi.
Radiokarbon bilan tanishish - bu uglerod asosidagi materiallarning yoshini ob'ektiv baholashni ta'minlaydigan usul. Yoshni namunadagi uglerod 14 miqdorini o‘lchash va uni xalqaro standart ma’lumotnomasi bilan solishtirish orqali aniqlash mumkin.
Radiokarbonli tanishishning zamonaviy dunyoga ta'siri uni 20-asrning eng muhim kashfiyotlaridan biriga aylantirdi. O'simliklar va hayvonlar hayotlari davomida karbonat angidriddan uglerod 14 ni o'zlashtiradilar. Ular o'lgandan keyin biosfera bilan uglerod almashinuvini to'xtatadilar va ulardagi uglerod 14 miqdori radioaktiv parchalanish qonuni bilan belgilangan tezlikda kamayib keta boshlaydi.
Radiokarbonni aniqlash asosan qoldiq radioaktivlikni oʻlchash usuli hisoblanadi. Namunada qancha uglerod 14 qolganligini bilib, bilib olishingiz mumkinorganizmning vafot etgan yoshi. Shuni ta'kidlash kerakki, radiokarbonli aniqlash natijalari organizm qachon tirik bo'lganligini ko'rsatadi.
Radiouglerodni oʻlchashning asosiy usullari
Har qanday namuna oluvchi proportsional hisoblashda uglerod 14 ni oʻlchash uchun uchta asosiy usul qoʻllaniladi, suyuqlik sintillash hisoblagichi va tezlatkich massa spektrometriyasi.
Proportsional gazni hisoblash - bu ma'lum bir namuna tomonidan chiqariladigan beta zarralarini hisobga oladigan keng tarqalgan radiometrik tanishish usuli. Beta zarralari radiokarbonning parchalanish mahsulotlaridir. Bu usulda uglerod namunasi gaz proportsional o'lchagichlarda o'lchanishdan oldin avval karbonat angidrid gaziga aylanadi.
Skintillyatsion suyuqlikni hisoblash 1960-yillarda mashhur bo'lgan radiokarbonlarni aniqlashning yana bir usuli hisoblanadi. Ushbu usulda namuna suyuqlik shaklida bo'ladi va sintilator qo'shiladi. Ushbu sintilator beta zarracha bilan o'zaro ta'sirlashganda yorug'lik chaqnashini hosil qiladi. Namuna trubkasi ikkita fotoko‘paytirgich o‘rtasida o‘tkaziladi va ikkala qurilma ham yorug‘lik chaqnashini qayd qilganda, hisoblash amalga oshiriladi.
Yadro fanining foydalari
Yadro reaktsiyalari qonunlari tibbiyot, energetika, geologiya, kosmik va atrof-muhitni muhofaza qilish kabi fan va texnikaning keng sohalarida qo'llaniladi. Yadro tibbiyoti va radiologiya diagnostika, davolash va oldini olish uchun radiatsiya yoki radioaktivlikdan foydalanishni o'z ichiga olgan tibbiy amaliyotdir.kasalliklar. Radiologiya deyarli bir asr davomida qo'llanilsa-da, "yadroviy tibbiyot" atamasi taxminan 50 yil oldin qo'llanila boshlandi.
Atom energetikasi oʻnlab yillar davomida qoʻllanilib kelinmoqda va energiya xavfsizligi va kam emissiya energiya tejash yechimlarini qidirayotgan mamlakatlar uchun eng tez rivojlanayotgan energiya variantlaridan biri hisoblanadi.
Arxeologlar ob'ektlarning yoshini aniqlash uchun keng ko'lamli yadro usullaridan foydalanadilar. Turin kafan, Oʻlik dengiz oʻramlari va Buyuk Karl toji kabi artefaktlar tarixini aniqlash va yadro texnikasi yordamida haqiqiyligini aniqlash mumkin.
Yadro texnikasi qishloq xoʻjaligi jamoalarida kasalliklarga qarshi kurashda qoʻllaniladi. Radioaktiv manbalar tog'-kon sanoatida keng qo'llaniladi. Masalan, ular quvur liniyalari va payvand choklaridagi blokirovkalarni buzilmaydigan sinovda, teshilgan materialning zichligini o'lchashda qo'llaniladi.
Yadro fani atrof-muhitimiz tarixini tushunishimizga yordam berishda qimmatli rol o'ynaydi.
